三峡局公务船舶机务管理辅助决策技术研究

王海江，陈学文，任锋

（长江三峡通航管理局，湖北宜昌 443002）

1 引言

公务船舶是航务管理和航道维护部门实现管理职能和航道管理养护职能最重要的设备。船舶的设备技术状态直接影响着通航业务工作的效率和质量，近年来三峡局船舶设备技术状态总体良好，船舶设备运行情况稳定，但随着船舶数量逐年增加，船型覆盖面不断扩大，设备保障要求随之提高。主要面临如下问题：船舶类型多，技术标准不一，管理难度大；船舶老旧，使用频率高，安全压力大；基础数据多，管理人员少，工作强度大；船舶维护维修计划的科学性和规范性亟待提高。传统的船舶机务管理工作，主要是以人工管理方式进行，特别是处理船舶生产作业过程中的故障，“一事一议”的工作方式不仅效率偏低，而且不能实现对问题成因的系统集成，各专业也无法形成联动联控体系，达不到船舶安全生产各环节风险预判预控的目标。近年来船舶数字机务技术的发展，为大数据技术在船舶机务管理方面的应用成为可能。通过运用大数据分析技术，可以对机务生产数据进行广泛收集、分析、共享，提高船舶机务系统各专业数据的沟通协调，提升船舶数字机务管理工作整体水平。

2 船舶机务管理辅助决策技术研究

2.1 船舶运行能耗分析研究

通过北斗定位数据并根据船舶航行、靠港等状态，统计船舶在营运过程中各环节所消耗的时间，计算并统计航次中的航行在港时间、在港率和在航率。根据年、月、航次分别对能效营运数据进行规律性分析。

基于船舶动力系统运行工况特征，通过建立航行工况辨识模型与能效状态评估模型，实现基于多源信息的船舶航行状态智能识别以及能效状态的分析与评估，基于实测数据的船舶能效评估能根据实时采集的数据，判断船舶当前航行状态，基于所建立的船舶能效状态评估模型，并利用历史数据建立评估准则，对设备进行能效实时异常分析、预警和能效状态评估。

不同类型的船舶在主机型号、尺度结构、船舶总吨上存在着显著的差异。主机油耗和船舶总吨是影响船舶能效的重要因素，基于以上考虑，将三峡局船舶根据其各自船型结构划分为多个类型，相同类型的船舶无论在船舶尺度、船型结构、主机选型、螺旋桨类型上基本相同，因此，将模型计算的船舶营运能效指数值与同类型船舶进行比较，根据计算结果便可对同类型、不同船舶的能效水平进行评估。

船舶主机及各推进系统设备在长时间运行后，各设备的能效水平会随着时间的增长而逐渐下降。可以将能效模型计算结果作为衡量能效退化的参考数值，通过实测数据所得的船舶能效营运指数与模型计算结果进行比较，即可判断船舶能效水平随时间变化的趋势及变化程度，当二者差值较大时，就需要考虑对船舶主机进行维修保养或螺旋桨及船底清污，以保证船舶的能效水平处于较好的状态。

2.2 船舶健康度评价研究

船舶是非常典型的复杂设备组合体，对于船舶健康度的评价是一个综合评价过程，过程中涉及多方面要素以及多层次的指标，为此需要研究构建涵盖评价目标、评价内容、评价主体、评价方式、评价模型和结果运用的船舶智能评价体系。

确定评价目标。评价目标指船舶智能评价体系构建后评价工作所要达到的效果状态。本期研究的内容包括：提出既有针对性和可操作性，又具备一定前瞻性的评价目标，确保船舶智能评价体系的构建可以为建立船舶故障智能诊断、星级船舶数据模型，确定技术状况及预算绩效评价指标，合理制定船舶运行维护费支出标准与结构，优化船舶资源配置、提升船舶工作效率，支撑船舶装备建设发展起到应有的导向和改进作用。

明确评价内容。研究内容包括：确定评价对象，除原有管理办法中规定的船体、主要机电设备和专用设备外，还需要增加船舶检验证书等资料完备性和有效性评价，船舶安全、环保、消防等设备的可用性评价，船舶服役时间、油耗、故障、事故等过程类信息，船舶能耗水平及相关排放程度等；细化评价内容，逐级细化评价范围内的各种评价对象和评价内容，例如船体包括船外板、甲板、内底板、骨架、隔舱壁和上层建筑等，主要机电设备包括推进主机、发电机组、绞缆机、锚机、舵机、起重机、轴系、推进器、舵等，专用设备包括特殊船舶专用设备（如绞锚设备、铺排机构）等，新增的各类评价对象属性也需要逐级细化分解为可衡量的内容。

落实评价主体。研究内容包括：是否将机务工作人员和管理人员为主的评价专家小组优化为机务管理、安全管理、航道生产等部门组成的综合评价小组；详细调研航道生产部门对于船舶工作任务安排、船舶工作效率等方面的需求，分析整理后融入相关指标体系；详细调研安全管理部门对于船舶安全管理、应急处置等方面的需求，分析整理后融入相关指标体系等。

创新评价方式。研究的内容包括：将当前周期性现场自查为主、上级部门抽查为辅的评价方式拓展到周期性现场核查、专家小组远程核查、信息系统自动核查相结合的模式；目前每季度一次的核查周期是否可以优化；如何通过视频监控、知识库等技术手段提升远程核查效率，降低系统核查成本；信息系统自动采集数据的机制，数据存储的方式，如何保证系统数据的准确性、完整性和可靠性等。

优选评价模型。研究内容包括：评价内容的确定是船舶智能评价指标体系创建的基础，将这些内容归类选择作为一级指标，并相应地细化成二级乃至三级指标；选取部分与船舶安全运行密切相关的指标作为刚性指标，刚性指标具备“一票否决”功能；基于船舶智能评价定性指标和定量指标相结合，指标层次化、多样化的特点，综合分析加权评分法、层次分析法、模糊综合评价法等评价算法的适用性，形成符合三峡海事实际管理需求的评价模型等。

强化结果运用。研究内容包括：因船制宜，探索船舶智能评价结果运用思路。如何根据船舶智能评价的要求，在船舶建造阶段即完成相关数据采集设备的部署；评价结果需要自动形成评价报告，评价报告的主要内容，以及重点建议方向；评价结果输出的对象，如何充分利用评价结果确定船舶星级和技术状况等级、维修方案、整改内容，改进维护方式、增加维护频次，调整维修经费、加强培训，提升相关部门工作效率等。

目前三峡局船舶老旧，使用频率高，安全压力大。十四五期间，达报废年限行船数量将增至8 艘，占比40%。老旧船舶的高负荷运转势必为船舶管理工作带来一定安全风险。需要通过健康评估预警系统为超期服役船舶的核心设备运行情况进行跟踪和评估，及时发现问题、预测预警，协助完成维修和报废决策。

2.3 船舶操控行为分析技术研究

船舶操控对于船舶安全航行非常重要，在实际航行中存在一些不规范行为，存在安全隐患。船舶操控行为指船员在驾驶过程中对船舶的各种操控行为，内容包括启航、停航、正倒车切换等。实际航行中，往往存在一些不规范行为，不规范的操控行为会对船舶设备产生一定的不良后果，或者可能产生一定的安全隐患。例如启航过程中，水温没有达到一定的数值就开始正车，润滑条件不足，将可能导致发动机零件磨损加剧，影响船舶航行安全。

目前对船舶的操控行为规范性的监管手段单一，自动化程度不够。传统监管方式是查看航行日志和轮机日志，在有条件的船舶上则通过视频监控设备进行远程监管，通过人工巡视，查看判断操控行为是否规范。由于航行时间长，人工查看工作量大，而且视频无法关联航行过程中各种机舱运行参数，难以完成深层次的规范性判断。需要利用信息化手段辅助管理人员自动监管，发现不规范行为并进行提示。

总体设计。基于物联网和大数据技术，采集船舶启航、航行、停航全过程船舶方位数据和机舱监测数据，利用机器学习算法，融合船舶操控规则知识库，形成船舶操控行为规范模型库，可自动持续输出船舶操控行为规范性评定结果，为船舶操控行为的监测预警提供信息化支撑。

数据采集。需要采集的数据包括船舶航行数据和机舱监测数据，采集方式包括传感器采集、相关监测系统抽取和知识库生成。船舶航行数据包括船舶航行起止时间、航行速度、航行轨迹等，机舱监测数据包括船舶主机转速、功率、水温、油压、油舱液位等。本期研究基于大数据展开，支持采集各类传感器数据，也支持从船舶管理、机舱监测等系统中抽取数据。对于船舶操控相关规范中明确要求的部分内容，本期研究创新性地采用了基于知识库生成样本数据的模式，例如可以录入部分启航过程初始数据，该部分数据可以较好地描述船舶从热车到正车的标准操控行为，在主机转速、主机水温的曲线配合方面完全符合规范要求。对于部分缺乏足够数据样本，但具备确定知识库要求的行为，例如夜航，可以采用该种方法完善采集数据。

特征工程。针对不同类型船舶操控行为需要对已采集的数据进行不同的特征工程。首先是针对部分空值和异常值进行处理，由于数据量较大，部分空值可以直接删除，异常值可以采用四分位间距检测后剔除。船舶航行过程数据和机舱监测数据主要为时序数据，可以采用滑动窗口法提取时间段数据的平均数、中位数、标准差、最大值、最小值、斜率、偏度、峰度等作为特征，最终形成合适的特征数据集。对于不同的操控行为，提取不同的特征值。

模型生成。基于航行数据和机舱监测数据生成模型，例如开航行为分析、正倒车切换等模型，各模型的主要标签和主要因子包括：

模型一、开航行为分析。标签为：开航操控行为是否规范。主要因子为：水温曲线斜率、水温最大值、主机转速曲线斜率、水温-航速曲线相位差等。

模型二、正倒车切换。标签为：正倒车切换行为是否规范。主要因子为：主机转速曲线斜率、转速-航速曲线相位差等。

模型三、航程航速分析。标签为：航速航程是否异常。主要因子为：航程统计、航速统计、油耗统计等。

模型四、驾驶过程。标签为：驾驶过程操控行为是否规范。主要因子为：主机转速统计、船舶航速统计、船舶轨迹曲线等。

模型应用。模型生成后，需要通过测试数据进行测试和参数调优。模型可以导入到船舶管理系统和机务管理系统中，实现操控行为规范性分析，也可以作为多因子综合评价模型的输入，最终输出具体的操控行为综合评分。

3 总结

综上所述，船舶管理信息系统建设的加快推进，为大数据技术在船舶机务管理中的应用提供了广阔空间。我们要进一步扩大大数据技术应用，深度挖掘其更深的优势和价值，找到现代化科学技术与传统船舶机务管理工作相结合、相融合、相促进的衔接点，不断提高三峡局公务船舶机务管理辅助决策技术能力。